DE2213373C3 - Körperschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Körperschallwandier zur genauen Messung vornehmlich tieffrequenter Schwingungen, bestehend aus einem als Empfänger für den Körperschall dienenden Stator rotationssymmetrischer Bauweise, der einen das Gehäuse des Körperschallwandlers bildenden äußeren topfartigen Bauteil sowie einen in dessen Innerem befindlichen, mit dem topfartigen Bauteil koaxialen fest verbundenen pilzförmigen Bauteil aufweist, ferner aus einem innerhalb des Si:*ors axial zentriert und in Richtung dessen Achse beweglich angeordneten glockenförmigen Schwinger von rotationssymmetrischer Bauweise, dessen Glockenform die Pilzform berührungsfrei und zum mindesten weitgehend umfaßt, ferner aus einem in der Achse des Stator-Schwinger-Systems angeordneten, aus mindestens zwei Magneten bestehenden und ausschließlich zur Aufnahme des Gewichtes des Schwingers dienenden Tragmagnet-Syst^m, dessen einer Magnet mit dem Stator und dessen anderer Magnet mit dem Schwinger fest verbunden ist und beide Magnete in Richtung der Bewegung des Schwingers koaxial zueinander angeordnet und in entgegengesetzter Richtung so magnetisiert sind, daß der Magnet des Stators den Magneten des Schwingers einschließlich des Schwingers zu tragen vermag, sowie aus Mitteln zur Führung und Zentrierung des Schwingers in Richtung der Achse des Stators und aus mindestens einem einzigen zusätzlichen Magneten, der außerhalb des Tragmagnet-Systems angeordnet ist, sowie Einrichtungen, die den Schwingungen entsprechende elektrische Ausgangssignale liefern.

Derartig ausgebildete Körperschallwandler sind aus den folgenden Druckschriften bekannt: Deutsche Patentanmeldung P 14 039 IX/42 c, deutsche Auslegeschrift 1 050 559 und deutsche Offenlegungsschrift 1915 418. Die in den Druckschriften P 14 039 IX/ 42 c und deutsche Offenlegungsschrifi 1 915 418 angegebenen zusätzlichen Magnete dienen vor allem der Veränderung der Eigenfrequenz des Schwingers durch Veränderung der wirksamen Federsteifigkeit seiner Aufhängung. Die in der deutschen Ajslegeschrift 1 050 559 angegebenen zusätzlichen Magnete ermöglichen darüber hinaus eine Reduzierung der Eigenfrequenz des Schwingers bis auf den Wert Null. In allen diesen Fällen sind jedoch für die notwendige Zentrierung des Schwingers zusätzliche Führungsmittel erforderlich, die in Form mechanischer Zusatzfedern mit möglichst geringer Steifigkeit in axialer Richtung und mit möglichst großer Steifigkeit in radialer Richtung vorgesehen sind. Diese Federn erweisen sich in zweierlei Hinsicht als najhteilig: Wegen ihrer Weichheit in axialer Richtung besteht die Gefahr, daß sie beim Transport des Körperschallwandlers leicht brechen und diesen funktionsuntüchtig machen. Der zweite Nachteil der mechanischen Zentrierung ist in ihrer amplitudenproportionalen mechanischen Reibung begründet, die für ein bestimmtes notwendiges Mindestmaß an Empfindlichkeit und Auflösungsvermögen des Körperschallwandlers eine entsprechende Mindeslgröße der Masse des Schwingers notwendig macht, die darüber hinaus um so größer sein muß, je kleiner die geforderte Eigenfrequenz des Körperschallwandlers ist. Wie allgemein bekannt, führt dies bei der Erfüllung der Forderung nach extrem niedrigen Eigenfrequenzen sowie nach extrem hohem Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit zu sehr großen Massen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung, dieser Nachteile durch Schaffung der notwendigen Voraussetzungen für den Bau eines robusten, gegenüber transportbedingten Stoßen weitgehend unempfindlichen und in Abmessungen und Gewicht vergleichsweise kleinen Körperschallwandlers, der gleichzeitig die Forderung nach extrem niedrigen Eigenfrequenzen sowie nach extrem hohem Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit erfüllt.

Bei einem Körperschallwandler der eingangs genannten ArI wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Körperschallwandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der mit dem erfindungsgemäßen Körperschallwandler gegenüber den bekannten Geräten erzielbare technische Fortschritt besteht darin, daß an Stelle der bekannten mechanischen Mittel zur axialen Führung bzw. zur Zentrierung des Schwingers berührungs- und damit völlig reibungsfrei arbeitende magnetische Zentrierungsmittel in Form der in Anspruch 1 näher bezeichneten Ringmagnetsysteme verwendet werden. Insbesondere die durch diese Art der Führung ermöglichte Reibungsfreiheit zwischen dem Stator und dem Schwinger führt zu einer erheblichen Verbesserung sowohl der Einfpindliehkeit als auch des Auflösungsvermögens in Vergleich zu den Geraten bekannter Bauart, wenn diesem Vergleich Geräte mit ungefähr gleicher Eigenfrequenz und gleicher Masse des Schwingers zugrunde gelegt werden. (Die in jedem Fall aus meßtechnischen Gründen notwendige Dämpfung des Schwingers kann in dem erfindungsgemäßen Gerät leicht unter Ausnutzung der vorhandenen Magnetfelder in Form einer wohldefinierten geschwindigkeitsproportionalen elektrodynamischen Dämpfung erzeugt werden.) Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Körperschallwandlers gegenüber den bekannten Geräten besteht darin, daß die Aufhängesteifigkeit des Schwingers beliebig klein gemacht werden kann, ohne daß dadurch die Tragfähigkcit des Tragmagnetsystems Auch nur im geringsten beeinflußt wird. Dies wird durch dieselben Ringmagneisysteme bewirkt, die auch für die Zentrierung des Schwingers sorgen. Schließlich besitzt der erfindungsgemäße Körperschallwandler den Vorteil, daß er, verglichen mit den bekannten Geräten, transportunempfindlich ist. da ihm die bei den bekannten Geräten unerläßlichen feinen und stoßempfindlichen Führungs- bzw. Zentrierungsfedern fehlen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in

»0 den F i g. 1 und 2 erläutert.

Seine Wirkungsweise wird an Hand einer graphischen Darstellung in F i g. 1 verdeutlicht. Über der Auslenkung des Schwingers, dessen Ruhestellung auf der Auslenkungsachse eingetragen ist, ist die jeweilige Kraft aufgetragen. Kurve 1 stellt das Kraft-Auslenkungs-Diagramm für das Tragmagnet-System dar: eine mindestens weitgehend geradlinige Kurve. Kurve 2 stellt das Kraft-Auslenkungs-Diagramm der Ringmagnet-Systeme dar. Bei Ruhestellung des Schwingtrs erzeugt keines der Ringmagnet-Systeme eine Kraft in axialer Richtung, da sich deren Ringe dann exakt paarweise gegenüberstehen. Bei Auslenkungen des Schwingers aus der Ruhelage nach unten erzeugen beide Ringmagnet-Systeme eine nach unten wirkende Kraft, bei Auslenkungcn nach oben entsprechend eine nach oben wirkende Kraft, wie dies die Kurve 2 darstellt. Da das Tragmagnet-System und die Ringmagnet-Systeme starr gekoppelt sind, tritt zwangläufig bei Auslenkungen des Schwingers

eine Superposition der beiden Kurven 1 und 2 ein: das Ergebnis ist die Kurve 3. Die Besonderheit dieser Kurve ist, daß sie innerhalb eines durch die Höhe der Ringmagnete gegebenen Bereichs sehr flach verläuft, ja, durch die jeweilige Stärke der Magnetisierung der Ringmagnete beliebig flach verlaufend gemacht werden kann. Sie könnte so flach gemacht werden, daß sie in dem fraglichen Bereich waagerecht verläuft, ja sogar so gestaltet werden, daß sie. statt anzusteigen, abfällt. Doch sind die beiden Fälle mit Steigung Null und Negativ uninteressant für Körperschallwandler. Bedeutsam ist nur eine etwas weniger ah waagerecht verlaufende Kennlinie mit einer geringen Steifigkeit im Arbeitsbereich, die wenigstens ausreicht, um eine eindeutig reproduzierbare Ruhestellung des Schwingers zu gewährleisten.

Der Aufbau des Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in Fig. 2. dargestellt. Der Stator 1 des Körperschallwandlers gemäß F i g. 2 ist topf- oder becherförmig gestaltet. Er trägt auf der Mitte seiner

Konsole eine Säule 2, die wiederum einen Magneten 3 trag!; dies ist der tragende Magnet des Tragmagnet-Systems. Magnet und Säule bilden einen pilzförmigen Körper. An der Außenwand 4 des Stators sind zwei Ringmagnete 5 und 6 angeordnet; Ringmagnet S

liegt unterhalb, Ringmagnet 6 oberhalb des Magneten 3 des Tragmagnet-Systems. Der Schwinger 7 weist zunächst den Magnete auf, der das zweite Glied des Tragmagnct-Systems 3 und 8 darstellt. Der

Magnet 8 ist oberhalb des Magnets 3 angeordnet. Beide sind entgegengesetzt magnetisiert, so daß der Magnete vom Magnet 3 abgestoßen wird. Dies würde ohne Stabilisierungs- und Führungsmittel nicht möglich sein. Dieb leisten die Ringmagnete 9 und 10. Der Ringmagnet9 ist über dem Magnete so angeordnet, daß er, bei der Ruhestellung des Magneten 8, genau in Höhe des Ringmagneten 6 des Stators liegt, von dem er umschlossen wird. Der Ringmagnet 10 ist unterhalb des Magneten 8 angeordnet, und zwar so, daß er bei der Ruhestellung des Magneten 8 genau in Höhe der Ringmagneten 5 des Stators liegt, von dem er umschlossen wird. Die Magnetringe S und 10 bzw. 6 und 7 bilden je eines der Ringmagnet-Systeme. Die Richtungen, in denen die Magnete magnetisiert sind, sind neben der Figur eindeutig eingetragen. Beide Magnete aller Magnet-Systeme sind gegensinnig magnetisiert. Die beiden Ringm;<gnct-Systeme dienen dazu, den Schwinger, der nur von magnetischen Kräften getragen völlig frei im Raum schwebt, zu hindern, andere als axiale Bewegungen auszuführen; femer dazu, die Kraft-Auslenkungskennlinie innerhalb des Arbeitsbereichs des ίο Schwingers zu verflachen. Es ist möglich, die Magnete 3,5 und 6 als Elektromagnete auszubilden. Der Körperschallwandler kann aber, wenn man auf willkürliche Änderungen der Empfindlichkeit verzichtet, durchweg mit Dauermagneten ausgestattet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Körperschallwandler zur genauen Messung vornehmlich tief frequenter Schwingungen, bestehend aus einem als Empfänger für den Körperschall dienenden Stator rotationssymmetrischer Bauweise, der einen das Gehäuse des Körperschallwandlers bildenden äußeren topfartigen Bauteil sowie einen in dessen Innerem befindlichen, mit dem topfartigen Bauteil koaxialen fest verbundenen pilzförmigen Bauteil aufweist, ferner aus einem innerhalb des Stators axial zentriert und in Richtung dessen Achse beweglich angeordneten glockenförmigen Schwinger von rotationssymmetrischer Bauweise, dessen Glockenform die Pilzform berührungsfrei and zum mindesten weitgehend umfaßt, ferner aus einem in der Achse des Stator-Schwinger-Systems angeordneten, aus mindestens zwei Magneten bestehenden und ausschließlich zur Aufnahme des Gewichtes des Schwingers dienenden Tragmagnet-System, dessen einer Magnet mit dem Stator und dessen anderer Magnet mit dem Schwinger fest verbunden ist und beide Magnete in Richtung der Bewegung des Schwingers koaxial zueinander angeordnet und in entgegengesetzter Richtung so magnetisiert sind, daß der Magnet des Stators den Magneten des Schwingers einschließlich des Schwingers zu tragen vermag, sowie aus Mitteln zur Führung und Zentrierung des Schwingers in Richtung der Achse des Stators und aus mindestens einem einzigen zusätzlichen Magneten, der außerhalb des Tragmagnet-Systems angeordnet ist, sowie Einrichtungen, die den Schwingungen entsprechende elektrische Ausgangssignale liefern, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperschallwandler mit mindestens zwei zusätzlichen Magnetsystemen (6,9 und 5,10 in Fig. 2), die als Ringmagnet-Systeme ausgebildet sind, ausgestattet ist, von denen jedes aus einem Paar konzentrisch gelagerter Ringmagnete besteht, die durchweg gleiche, in Richtung ihrer Achse gerechnete Höhen aufweisen und radial derart magnetisiert sind, daß die Ringmagnete jedes Ringmagnet-Systems sich in dessen Luftspalt mit gleichen Polen gegenüberstehen, daß ferner, sofern nur zwei Ringmagnet-Systeme vorhanden sind, das eine Ringmagnet-System oberhalb, das andere unterhalb des Tragmagnet-Systems (3,8 in F i g. 2) so angeordnet ist, daß die Ringmagnet-Systeme koaxial zum Tragmagnet-System liegen, daß ferner, sofern nur zwei Ringmagnet-Systeme vorhanden sind, einer der Ringmagnete des unteren Ringmagnet-Systems am unteren Teil des Stators (1 in F i g. 2) und einer der Ringmagnete des oberen Ringmagnet-Systems am Kopf des Stators angeordnet ist und daß der andere Ringmagnet des unteren Ringmagnet-Systems am unteren Ende der Glocke angeordnet ist, daß ferner die Mittelebenen der Ringmagnete des Stators unter sich die gleichen Abstände wie die Mittelebener, der Ringmagnete des Schwingers (7 in F i g. 2) aufweisen, daß ferner die Ringmagnete des Schwingers so zu dem mit dem Schwinger verbundenen Magneten (8 in F i g. 2) des Tragmagnet-Systems gelagert sind, daß sie mit den Ringmagneten des Stators in Höhe koinzidieren, wenn der Schwinger seine Ruhelage einnimmt, daß schließlich die Magnetisierungsstärke der Ringmagnete so hoch gewählt ist, daß bei den für den Schwinger vorgesehenen Auslenkungen aus der Ruhelage der absolute Betrag der differentiellen Steifigkeit der Kraft-Weg-Kennline (2 in Fig. 1) der Ringmagnet-Systeme zusammen nicht größer ist als die (1 in Fig. 1) des Tragmagnet-Systems, vorzugsweise um ein geringeres kleiner.

2. Körperschallwandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß konventionelle Mittel vorgesehen sind, durch die einer der Ringmagnete jedes der Ringmagnet-Systeme in Richtung der Achse des Körperschallwandlers verschiebbar ist.

3. Körperschallwandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichne·, daß mindestens einer der beiden Magnete eines jeden der Magnetsysteme, vorzugsweise der mit dem Stator verbundene, als Elektromagnet ausgebildet ist.

4. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile, durch die die Magnete des Stators bzw. des Schwingers untereinander verbunden sind, aus weichmagnetischem Material bestehen und/oder daß die genannten Magnete se zueinander gelagert sind, daß ihre Flüsse sich addieren.

5. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen mindestens eines der Magnete des Tragmagnet-Systems so ausgebildet sind, daß bei den möglichen horizontalen Verschiebungen die zwischen beiden Magneten horizontal wirkenden Kräfte vernachlässigbar sind.